Membongkar misteri penempaan aloi super: mencipta bahan adiwira industri
Superalloy, juga dikenali sebagai aloi tahan haba atau aloi super, ialah bahan logam penting untuk enjin penerbangan moden, enjin roket, turbin gas dan peralatan kimia. Ia boleh menahan tekanan kompleks di bawah keadaan pengoksidaan dan kakisan gas 600 ~ 1100 darjah, dan boleh berfungsi dengan pasti untuk masa yang lama.
Pada masa ini, antara aloi ubah bentuk, yang paling banyak digunakan ialah aloi berasaskan besi dan aloi berasaskan nikel. Aloi berasaskan besi digunakan lebih banyak sebagai cakera turbin, cakera pemampat, kebuk pembakaran gelang galas dan bilah, dan ciri-ciri komposisi mereka terutamanya besi, mengandungi sejumlah besar nikel, kromium dan unsur-unsur lain. Mengikut ciri pengukuhannya, ia boleh dibahagikan kepada jenis pengerasan umur lemah, jenis pengerasan larutan pepejal, jenis pengerasan umur karbida dan jenis pengerasan umur kompaun antara logam.
Aloi berasaskan nikel lebih banyak digunakan dalam pembuatan bilah turbin, kebuk pembakaran, cakera turbin, cakera pemampat dan bilah pemampat, yang komposisinya dicirikan oleh asas nikel, mengandungi ω (Cr) 10% hingga 20%, membentuk berasaskan nikel. matriks austenit. Selain itu, sesetengah aloi juga mengandungi 10% hingga 20% ω (Co), membentuk matriks austenit nikel-kromium-kobalt. Mengikut jenis pengukuhannya, ia boleh dibahagikan kepada jenis pengukuhan penyelesaian pepejal dan jenis pengukuhan penuaan.
Sifat aloi super bergantung terutamanya pada komposisi dan struktur mikro aloi. Jenis, struktur, bentuk, saiz, kuantiti dan taburan fasa termendak amat penting dalam struktur mikro. Mendakan biasa dalam aloi berasaskan besi dan nikel ialah sebatian antara logam, karbida dan borida. Semua sebatian ini boleh dikawal dan dikawal oleh rawatan haba, dan morfologi dan pengedarannya juga boleh diubah oleh ubah bentuk.
Rawatan haba bagi aloi super cacat secara amnya terdiri daripada rawatan larutan pepejal, rawatan perantaraan (juga dikenali sebagai rawatan larutan pepejal sekunder) dan rawatan penuaan. Tujuan rawatan larutan adalah untuk mendapatkan larutan pepejal supertepu seragam dan mengawal saiz butiran yang sesuai. Tujuan rawatan haba perantaraan adalah untuk menukar keadaan karbida dan mendapatkan dua fasa yang berbeza dengan saiz yang berbeza. Tujuan rawatan penuaan adalah untuk membuat fasa yang diperkuatkan sepenuhnya dan sama rata, untuk mencapai kesan pengerasan kerpasan, pemilihan suhu, masa dan kekerapan, untuk mendapatkan bilangan fasa yang diperkukuh, bentuk dan pengedaran adalah sesuai sebagai kriteria. Teras proses ubah bentuk panas aloi super cacat ialah keplastikan proses dan ubah bentuk kritikal hablur kasar.
1.Ciri-ciri ubah bentuk aloi super
1) Keplastikan rendah, superaloi kerana tahap pengaloian yang tinggi, mempunyai struktur heterogen dan komposisi fasa kompleks, oleh itu, keplastikan proses adalah rendah. Terutama pada suhu tinggi, apabila unsur-unsur kekotoran seperti S, Pb, Sn terkandung, daya ikatan antara butiran sering menjadi lemah dan keplastikan berkurangan. Superalloys biasanya menggunakan jumlah kandungan unsur pengukuhan aluminium dan titanium untuk menentukan tahap keplastikan, apabila jumlah kandungan lebih besar daripada atau sama dengan 6%, keplastikan akan menjadi sangat rendah. Kemuluran proses superalloy berasaskan nikel adalah lebih rendah daripada superaloi berasaskan besi. Keplastikan proses aloi super adalah sangat sensitif kepada kadar ubah bentuk dan keadaan tegasan. Beberapa jongkong aloi dan bilet perantaraan perlu dibentuk oleh ubah bentuk dan menjengkelkan berkelajuan rendah, bergolek dan juga penyemperitan.
2) Rintangan ubah bentuk yang besar, disebabkan oleh komposisi superalloy yang kompleks, suhu penghabluran semula yang tinggi, kelajuan perlahan, mempunyai rintangan ubah bentuk yang tinggi dan kecenderungan pengerasan pada suhu ubah bentuk, rintangan ubah bentuk secara amnya 4 hingga 7 kali ganda daripada keluli struktur biasa.
3) Julat suhu penempaan adalah sempit, takat lebur superalloy adalah rendah berbanding dengan keluli, dan suhu pemanasan terlalu tinggi untuk menyebabkan terlalu panas dan terbakar. Jika suhu berhenti penempaan terlalu rendah, keplastikan adalah rendah, rintangan ubah bentuk adalah besar, dan ubah bentuk campuran sejuk dan panas mudah menyebabkan penempaan menghasilkan kristal kasar yang tidak sekata. Oleh itu, julat suhu penempaan superaloi adalah sangat sempit, secara amnya hanya kira-kira 200 darjah C. Julat suhu penempaan aloi tahan haba berasaskan nikel adalah lebih sempit, kebanyakannya adalah 100 ~ 150 darjah C, dan ada yang kurang daripada 100 darjah C.
4) Kekonduksian terma adalah lemah, dan kekonduksian haba superaloi pada suhu rendah adalah jauh lebih rendah daripada keluli karbon, jadi secara amnya perlu melambatkan pemanasan awal dalam julat 700 ~ 800 darjah C, jika tidak, ia akan menyebabkan suhu yang hebat tegasan, supaya logam pemanas berada dalam keadaan rapuh.
2. proses keplastikan superaloi
1) Oleh kerana penambahan sejumlah besar unsur mengaloi, rintangan haba superaloi bertambah baik, tetapi keplastikan proses berkurangan. Pengaloian yang tinggi mengakibatkan pengasingan yang teruk dan hablur kolumnar kasar. Pada pautan lemah sempadan butiran dendrit primer, keretakan mudah berlaku di sepanjang sempadan butiran. Oleh kerana pengasingan dendrit, kandungan unsur mengaloi dalam bahagian terhablur pertama adalah rendah, dan kandungan unsur mengaloi di bahagian tepi dendrit adalah tinggi, jadi karbida dan sebatian antara logam tertumpu di bahagian tepi dendrit, yang mengurangkan kebolehtempaan. daripada aloi.
2) Pengaloian tinggi menjadikan keplastikan bar superalloy jauh lebih rendah daripada keluli aloi biasa. Oleh kerana sebilangan besar unsur pengaloian diperkaya di kawasan sempadan butiran, kekuatan sempadan butiran adalah lebih rendah daripada kekuatan intra-butir pada suhu tinggi, dan banyak zarah fasa yang diperkukuh tidak semuanya terlarut ke dalam larutan pepejal dalam suhu ubah bentuk. julat, seperti karbida dan borida, dsb., supaya sebagai tambahan kepada , terdapat juga fasa yang diperkukuh yang terlibat dalam ubah bentuk, iaitu, ubah bentuk tidak dilakukan dalam keadaan fasa tunggal. Oleh itu, keplastikan proses rod rolling superalloy juga agak rendah. Oleh itu, dalam penggubalan prosedur proses penempaan superaloi, keplastikan proses aloi mesti diukur terlebih dahulu.
3. Penentuan suhu ubah bentuk aloi super
1) Prinsip menentukan suhu ubah bentuk superaloi, disebabkan oleh kerumitan tahap pengaloian superaloi, suhu lebur awal aloi berkurangan, dan suhu pembubaran fasa penghabluran semula dan pengukuhan meningkat, mengakibatkan suhu ubah bentuk menjadi lebih sempit dan lebih sempit. Oleh itu, apabila menentukan suhu ubah bentuk, selain memastikan keplastikan proses dan memenuhi pembentukan, ia juga mesti memenuhi keperluan untuk mendapatkan organisasi dan sifat yang baik. Untuk mengekalkan rangkaian kehelan selular dalam struktur mikro penempaan superaloi dan mendapatkan butiran halus dan seragam serta sifat yang baik, suhu ubah bentuk penempaan harus lebih rendah daripada suhu pertumbuhan bijian, dan suhu penempaan akhir harus hampir kepada (sedikit lebih tinggi) suhu pelarutan zarah fasa kedua ke dalam larutan pepejal dan suhu penghabluran semula.
Membongkar misteri penempaan aloi super: mencipta bahan adiwira industri
2) Spesifikasi pemanasan superalloy, superalloy pemanasan dibahagikan kepada prapemanasan dan pemanasan dua peringkat. Untuk memendekkan masa pegangan superaloi pada suhu pemanasan penempaan, elakkan kekasaran bijirin yang berlebihan dan pengurangan unsur mengaloi; Pada masa yang sama, untuk mengurangkan tegasan haba yang disebabkan oleh kekonduksian terma yang lemah dan pekali pengembangan haba yang tinggi bagi superaloi, kosong perlu dipanaskan sebelum ditempa. Suhu prapemanasan ialah 750 ~ 800 darjah , dan masa penahanan dikira sebagai 0.6 ~ 0.8min/mm. Suhu pemanasan biasanya 1100 ~ 1180 darjah C, dan masa penahanan ialah 0.4 ~ 0.8min/mm. Peralatan pemanasan boleh menggunakan relau rintangan, dilengkapi dengan termometer dan peranti kawalan suhu pelarasan automatik untuk kawalan yang tepat. Apabila relau nyalaan dipilih, kandungan sulfur dalam bahan api hendaklah dikawal dengan ketat: kandungan sulfur dalam diesel atau minyak berat hendaklah kurang daripada 0.5%; Kandungan sulfur gas hendaklah kurang daripada 0.7g/m3. Kandungan sulfur yang berlebihan dalam bahan api akan membentuk eutektik Ni-Ni3S3 dengan takat lebur rendah (≈650 darjah ) apabila ia menembusi ke dalam permukaan bilet, menjadikan aloi panas rapuh. Ia adalah perlu untuk mengambil kurang dan tiada langkah pemanasan pengoksidaan untuk mengelakkan penyusutan kromium, aluminium, titanium dan unsur-unsur lain pada permukaan kosong, dan mengurangkan kekuatan keletihan dan kekuatan tahan suhu tinggi aloi. Pemanasan aruhan tempatan boleh digunakan dalam penempaan kosong. Sebelum dipanaskan, tempat kosong hendaklah dibersihkan untuk menghilangkan kotoran dan mengelakkan kecacatan permukaan akibat kakisan. Apabila menempa dengan pelbagai kebakaran, suhu pemanasan penempaan harus dikurangkan dengan lanjutan masa selang antara kedua-dua kebakaran untuk mengelakkan pertumbuhan bijian yang telah berlaku penghabluran semula statik, pada masa yang sama, suhu pemanasan semula juga harus lebih rendah dengan lebih dekat. kepada produk penempaan siap, lebih kecil ubah bentuk.
4. Penentuan tahap ubah bentuk aloi super
1) Prinsip menentukan tahap ubah bentuk aloi super
Oleh kerana tahap pengaloian yang tinggi, julat suhu ubah bentuk superaloi adalah sempit, dan tidak banyak margin pelarasan. Di samping itu, superalloy tidak mempunyai peralihan pengisomeran, dan saiz butiran aloi dikawal terutamanya oleh ubah bentuk penempaan. Oleh itu, selepas suhu ubah bentuk ditentukan, pilihan tahap ubah bentuk adalah sangat penting. Pada suhu penempaan tertentu, ubah bentuk setiap susunan pemanasan harus lebih besar daripada darjah ubah bentuk kritikal dan lebih kecil daripada tahap ubah bentuk yang sepadan bagi kawasan pertumbuhan bijian kedua. Di bawah premis memenuhi keperluan keplastikan proses dan susunan proses (pra-penempaan), setiap ubah bentuk harus dalam dan seragam, dan cuba mengelakkan ubah bentuk yang tidak sekata, jika tidak, ia akan menghasilkan kristal kasar berjalur dan kristal kasar tempatan. Hablur kasar superaloi mempunyai kedegilan genetik tertentu, dan sukar untuk menukar kristal kasar yang dihasilkan oleh satu ubah bentuk tidak seragam apabila tahap ubah bentuk tidak cukup besar dalam ubah bentuk segera. Untuk mendapatkan struktur mikro dan sifat yang memuaskan, suhu pemanasan yang lebih rendah, tahap ubah bentuk yang lebih besar, fasa pemendakan harus digunakan untuk mengawal struktur mikro, meningkatkan saiz butiran dan keadaan sempadan butiran semasa ubah bentuk penempaan akhir.
Selain saiz butiran, keadaan sempadan butiran juga merupakan faktor mikrostruktur yang penting. Dari sudut pengukuhan dan peneguhan sempadan bijian, kawalan organisasi sempadan bijian mempunyai undang-undang berikut:
(1) Kekurangan fasa pemendakan di sempadan butiran mudah menjadi saluran retak.
(2) Fasa kasar dan karbida diagihkan secara seragam pada sempadan butiran, yang akan menguatkan dan menguatkan sempadan butiran aloi.
(3) Terdapat bahagian kelonggaran tegasan dalam zon susut sempadan butiran, yang boleh mengurangkan rintangan ricih dan mengembangkan kawasan kepekatan terikan. Oleh itu, apabila kekuatan sempadan butiran terlalu tinggi, zon habis memainkan peranan yang bermanfaat.
(4) Pembentukan fasa karbida filem nipis berterusan pada sempadan butiran menjadikan takuk aloi sensitif.
(5) Pembentukan karbida selular pada sempadan butiran mempunyai kesan buruk terhadap kekuatan dan keteguhan sempadan butiran aloi.
Oleh itu, sebagai tambahan kepada sistem rawatan haba yang munasabah, dalam proses penempaan, melalui pengagihan ubah bentuk yang munasabah, terutamanya untuk meningkatkan tahap ubah bentuk penempaan akhir kebakaran terakhir, untuk memperbaiki keadaan sempadan bijian, pemadanan kekuatan sempadan bijian dan bijian. , untuk mendapatkan harta organisasi yang baik, sudah pasti sangat penting.
2)Aloi super yang ubah bentuk secara amnya lebih sensitif kepada ubah bentuk kritikal, dan darjah ubah bentuk kritikal biasanya berbeza-beza dalam julat yang luas ({{0}}.5% ~ 20%), nilai khusus berbeza dengan aloi, dan darjah ubah bentuk kritikal bagi aloi yang sama adalah berbeza pada suhu pemanasan yang berbeza. Sebagai contoh, jumlah darjah ubah bentuk kritikal GH4049 aloi ialah 0.1% ~ 7%. Jumlah darjah ubah bentuk kritikal aloi GH4220 ialah 0.6%-4.7% pada 1150 darjah dan 0.1%-3% pada 1180 darjah, tetapi darjah ubah bentuk kritikal pada suhu penempaan yang berbeza, darjah ubah bentuk pada butiran maksimum dan diameter ubah bentuk kritikal maksimum adalah tidak sama. Diameter hablur kasar ubah bentuk kritikal adalah beberapa susunan magnitud yang lebih besar daripada butiran biasa, dengan yang terbesar ialah 10mm dan yang terkecil ialah 1mm.
5. Pengaruh parameter proses penempaan ke atas struktur mikro dan sifat aloi super
Pilihan penempaan yang betul dan parameter proses rawatan haba seterusnya secara langsung mempengaruhi sifat mekanikal penempaan. Keputusan ujian pelbagai aloi disenaraikan di bawah untuk rujukan dalam pemilihan parameter pemprosesan pemanasan.
1) Kesan suhu pemanasan ke atas struktur mikro dan sifat aloi GH2036
Suhu pemanasan yang dibenarkan bagi cakera turbin aloi GH2036 sebelum penempaan die ialah 1190 darjah . Jika aloi dipanaskan pada 1220 darjah selama 2j, sampel tegangan dan hentaman berubah daripada patah transgranular kepada patah intergranular, iaitu aloi menjadi terlalu panas. Jika aloi dipanaskan selama 2j pada 1250 darjah dan 1280 darjah , sempadan butiran aloi menghasilkan lebur awal tempatan, iaitu aloi terbakar terlebih. Patah intergranular berlaku dalam kedua-dua spesimen tegangan dan hentaman, dan sifat keseluruhan aloi berkurangan. Pengaruh pemanasan suhu tinggi terhadap sifat aloi GH2036, kesan, sifat tegangan dan tahan lama aloi semakin merosot dengan peningkatan suhu pemanasan.
2) Kesan suhu ubah bentuk akhir pada sifat aloi GH4169
Apabila tahap ubah bentuk akhir ialah 25%, kepekaan takuk boleh dihapuskan dengan mengawal suhu ubah bentuk akhir pada 900 ~ 955 darjah, dan peningkatan suhu ubah bentuk akhir akan menjadikan butiran aloi menjadi tidak sekata dan mengurangkan keplastikannya, mengakibatkan dalam sensitiviti takuk. 3) Pengaruh saiz bijian terhadap prestasi
3) Kesan saiz bijian pada sifat
Butiran yang lebih kasar boleh meningkatkan kekuatan berkekalan dan kekuatan rayapan, manakala butiran yang lebih halus boleh meningkatkan kekuatan hasil dan kekuatan keletihan. Saiz butiran yang seragam memberi manfaat kepada sifat aloi. Jangka hayat patah bagi hablur kasar adalah lebih pendek daripada hablur halus. Kesan menyeluruh saiz bijian pada sifat aloi GH4169 menunjukkan bahawa kekuatan hasil dan kekuatan keletihan aloi GH4169 jelas bertambah baik dengan penghalusan bijirin, tetapi kekuatan keletihan pada suhu melebihi 600 darjah berkurangan. Pengaruh ke atas kekuatan kekal aloi bergantung kepada bentuk patah (transgranular atau intergranular fracture), iaitu, suhu aloi berkaitan.
4) Pengaruh parameter proses haba pada penghabluran semula dinamik
Apabila tahap ubah bentuk lebih besar daripada 30%, apabila aloi GH4169 ditempa pada tukul atau penekan hidraulik, suhu permulaan penghabluran semula dinamik adalah kira-kira antara 930 ~ 960 darjah, dan apabila penempaan isoterma, ia adalah kira-kira 930 ~ 940 darjah.
Penghabluran semula dinamik aloi GH4169 dipermudahkan dengan meningkatkan suhu penempaan, meningkatkan tahap ubah bentuk, menggunakan kadar terikan yang lebih tinggi atau lebih rendah dan menggunakan pelbagai ubah bentuk.
